Ward Leonard metode for fartsregulering eller armaturspenningkontroll

Ward Leonards metode for fartsregulering fungerer ved å justere spenningen som sendes til armaturen i en motor. Denne innovative tilnærmingen ble først introdusert i 1891, noe som markerte et betydelig fremskritt innen feltet for elektrisk motorkontroll. Figuren nedenfor viser koblingsdiagrammet for implementering av Ward Leonards metode for å kontrollere farten på en DC-shuntmotor, og gir en klar visuell representasjon av systemets konfigurering og drift.

I det beskrevne systemet representerer M hoved-DC-motoren hvis rotasjonsfart er målet for kontroll, mens G er en separat anskaffet DC-generator. Generatoren G drivs av en tre-fase drevemotor, som kan være enten en induksjonsmotor eller en synkronmotor. Paringen av den AC-drevemotoren og den DC-generatoren refereres vanligvis til som Motor-Generator (M-G) settet.

Spenningsutgangen fra generatoren kan justeres ved å endre generatorens feltstrøm. Når denne justerte spenningen sendes direkte til armaturen på hoved-DC-motoren, forårsaker det en tilsvarende endring i farten på motor M. For å sikre konsekvent ytelse under fartsregulering, holdes motorens feltstrøm Ifm konstant, noe som igjen holder motorens feltfluks ϕm stabil. I tillegg, under regulering av motorens fart, reguleres motorarmaturenstrømmen Ia for å matche dens nominerte verdi. Ved å variere den genererte feltstrømmen Ifg, kan armaturenspenningen Vt justeres fra null til sin nominerte verdi. 

Denne justeringen av spenning resulterer i at motorens fart endres fra null til dens basisfart. Siden fartsreguleringsprosessen utføres med nominert strøm Ia og en konstant motorfeltfluks ϕm, oppnås en konstant dreiemoment, da dreiemomentet er proporsjonalt med produktet av armaturenstrømmen og feltfluksen opp til nominert fart. Ettersom produktet av dreiemoment og fart definerer effekt, og dreiemomentet forbli konstant i dette scenariet, blir effekten direkte proporsjonal med fart. Konsekvent, når effektutgangen øker, øker også motorens fart i takt. 

Dreiemoment- og effektkarakteristikkene for dette fartskontrollsystemet vises i figuren nedenfor, noe som gir en visuell representasjon av hvordan disse parameterne interagerer og endrer seg under drift.

Sammenfattende sett lar armaturenspenningskontrollmetoden oppnå en konstant dreiemoment og variabel effektantrieb for farter under basisfarten. På den andre siden kommer feltflukskontrollmetoden til syne når farten overstiger basisfarten. I denne driftsmodus holdes armaturenstrømmen konstant på sin nominerte verdi, og generatorspenningen Vt forbli konstant.

Når motorfeltstrømmen reduseres, minker også motorfeltfluksen, noe som effektivt svekker feltet for å oppnå høyere farter. Ettersom Vt Ia og E Ia forbli konstant, er elektromagnetisk dreiemoment direkte proporsjonalt med produktet av feltfluksen ϕm og armaturenstrømmen Ia. Konsekvent følger en reduksjon i motorfeltfluksen en nedgang i dreiemoment.

Som resultat minker dreiemomentet når farten øker. Dermed, i feltkontrollmodus, for farter over basisfarten, oppnås en konstant effekt og variabel dreiemomentdrift. Når bred rekkevidde fartsregulering er nødvendig, benyttes en kombinasjon av armaturenspenningskontroll og feltflukskontroll. Denne kombinerte tilnærmingen tillater forholdet mellom maksimal og minimal tilgjengelig fart å variere fra 20 til 40. I lukket sløyfe-kontrollsystemer kan denne fartsrekkevidden utvides opp til 200.

Drevemotoren kan være enten en induksjonsmotor eller en synkronmotor. En induksjonsmotor opererer typisk med en forsinket effektfaktor. Imidlertid kan en synkronmotor drives med en førende effektfaktor gjennom overoppspennelse av dens felt. En overoppsett synkronmotor genererer førende reaktiv effekt, som effektivt kompenserer for den forsinkede reaktive effekten forbrukt av andre induktive belastninger, noe som forbedrer den totale effektfaktoren.

Ved håndtering av tunge og periodiske belastninger, brukes ofte en slipring-induksjonsmotor som primærmotor, og en flyhjul monteres på dens aksel. Denne konfigurasjonen, kjent som Ward Leonard-Ilgener-skjemaet, bidrar til å forhindre betydelige fluktuasjoner i forsyningsstrømmen. Imidlertid, når en synkronmotor fungerer som drevemotor, kan ikke montering av et flyhjul på dens aksel redusere fluktuasjoner, da en synkronmotor alltid kjører med konstant fart.

Fordeler med Ward Leonard-antrieb

• Ward Leonard-antrieb tilbyr flere sentrale fordeler:

• Det tillater jevn fartsregulering av en DC-motor over et bredt område i begge retninger.

• Det har en innebygd bremseevne. Ved bruk av en overoppsett synkronmotor som drev, kompenseres de forsinkede reaktive voltamper, noe som forbedrer den totale effektfaktoren.

• I applikasjoner med periodiske belastninger, som rullverksteder, kan en induksjonsmotor med et flyhjul benyttes for å glatte ut de periodiske belastningene, noe som reduserer deres innvirkning på systemet.

Ulemper med klassisk Ward Leonard-system

Det klassiske Ward Leonard-systemet, som bygger på roterende Motor-Generator-sett, har følgende begrensninger:

• Den initielle investeringen i systemet er betydelig på grunn av kravet om å installere et motor-generator-sett med samme rating som hoved-DC-motoren.

• Det har en stor fysisk størrelse og betydelig vekt.

• Det krever stor gulvareal for installasjon. Grunnet som kreves for systemet er kostbart.

• Hyppig vedlikehold er nødvendig.

• Det påfører høyere tap under drift.

• Dens totale effektivitet er relativt lav.

• Antriebet genererer en betydelig mengde støy.

Anvendelser av Ward Leonard-antrieb

Ward Leonard-antrieb er ideell for situasjoner der jevn, toveis, og bred rekkevidde fartsregulering av DC-motorer er essensielt. Noen vanlige anvendelser inkluderer:

• Rullverksteder

• Heiser

• Kraner

• Papirfabrikker

• Diesel-elektriske lokomotiver

• Gruveheiser

Solid State Kontroll eller Statisk Ward Leonard System

I moderne anvendelser foretrekkes det statiske Ward Leonard-systemet. I dette systemet erstattes det tradisjonelle roterende motor-generator (M-G) settet med en fasttilstands konverter for å kontrollere farten på DC-motoren. Kontrollerte rektifikatorer og kopper er vanlige konvertere.

Når strømkilden er en AC-strøm, benyttes kontrollerte rektifikatorer for å transformere den faste AC-strømspenningen til en variabel DC-strømspenning. I tilfeller med en DC-strømkilde, brukes kopper for å oppnå en variabel DC-spennings fra den faste DC-kilden.

I en alternativ form for Ward Leonard-antrieb, kan også ikke-elektriske primærmotorer benyttes for å drive DC-generatoren. For eksempel, i DC-elektriske lokomotiver, drives DC-generatoren av en dieselmotor eller en gasturbine, og denne oppsettet er også anvendelig i skipspropulsionsanordninger. I slike systemer er regenerativ bremsing ikke mulig, da energi ikke kan flyte i motsatt retning gjennom primærmotoren.